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Hallo zusammen,

Ich habe folgendes Problem: Ich möchte zwei Elektroden modellieren, von denen eine zu einer Spannungsquelle verbunden und die andere geerdet ist, und die durch ein Dielektrikum getrennt sind. Die Lagen halten nur durch die elektrostatischen Kräfte und die Reibung zwischen den Schichten zusammen. Zusätzlich wirken mechanische Kräfte auf das System. Das Ergebnis wird ein Gleichgewicht zwischen den elektrostatischen und mechanischen Kräften und der Reibung sein. Zur Verfügung habe ich Ansys 14.5 APDL und Workbench (inkl. Ansys Maxwell).

Wie würdet ihr hier vorgehen?

Meine bisherigen Ansätze sind:
1. Das erstellen eines rein elektrostatischen Modells ohne mechanische Kräfte und Reibung (PLANE121). Dieses könnte ich um gekoppelte Elemente (PLANE223,1001) erweitern, aber dann würde immer noch die Reibung fehlen.
2. Ein rein mechanisches System mit mech. Kräften und Reibung, in dem die elektrostatischen Kräfte durch mechanische Normalkräfte ersetzt wurden.

Mein Problem ist nun die Kombination aller Elemente. Ebenfalls versucht habe ich diie Modellierung mit Ansys Maxwell und dem Einlesen in Workbench - Mechanical. Allerding ist mein PC (trotz i7) zu schwach für ein 3D Modell und das 2D Modell funktioniert mit Workbench nur limitiert über ein Ersatz-System - einem 3D Modell mit der Dicke von einem Element. Das wiederum funktioniert mit Ansys Maxwell nicht.

Über jede Hilfe bin ich sehr dankbar. Vielen Dank!

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Kannst Du das Problem nicht vollständig gekoppelt mit Plane223 und Conta172/Targe169-Elementen modellieren?

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Danke für deine Antwort. Das Problem sehe ich dabei darin, dass ich beide Elementtypen - sowohl Plane223 wie auch Conta172/Targe169 - an der gleichen Stelle (Kontaktfläche) benötige. Gibt es eine Möglichkeit, diese irgendwie zu überlagern?

[Diese Nachricht wurde von itsmi87 am 18. Mrz. 2014 editiert.]

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Ja, genau dafür wurden die Kontaktelemente entwickelt. Am einfachsten kannst Du in APDL Kontaktpaarungen mit Hilfe des "Contact Managers" erstellen.

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Vielen Dank, ich bin jetzt soweit gekommen und habe es mit den gekoppelten Elementen und Kontaktelementen aufgebaut. Das funktioniert auch soweit, allerdings konvergiert die Lösung nicht, bzw. erst wenn ich CNVTOL für U und VOLT sehr hoch setze (1e-1). In dem Ersatzsystem, wo ich anstatt der elektrostatischen Kräfte mechanische Kräfte aufbringe funktioniert alles, wenn ich die gleichen Einstellungen für die Kontaktelemente verwende. Umgekehrt funktioniert auch die Simulation der elektrostatischen Kräfte, wenn ich keine mechanischen Kräfte aufbringe unter denselben Einstellungen. Das Problem muss also irgendwo in dem Zusammenspiel liegen - irgendjemand eine Idee?

ELEMENTS

Code:

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ET,1,PLANE223,1001 ! 8-node bricks
ET,2,TARGE169 ! Target
ET,3,CONTA172 ! Contact, UX, UY, VOLT
KEYOPT,3,9,0 ! Effect of initial penetration or gap: Include both initial geometrical penetration or gap and offset
KEYOPT,3,10,2   ! Contact stiffness update: Each iteration based on current mean stress of underlying elements (pair based).
KEYOPT,3,1,5

! Real constant
R,1,,,, ,, 
RMORE,,,, ,,
RMORE,,,, ,,
RMORE,12345,,, ,,   ! Electric contact conductance ECC
RMORE,,,,,,
RMORE,,,,, 

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Als Solver nehme ich den normalen Solver (SOLVE).

Vielen Dank.

P.S. Ich schaut vielleicht so aus, aber bevor ich meine Fragen stelle recherchiere ich stundenlang im Internet und kann leider nichts finden, ich versuche nicht die Arbeit auf andere ab zu wälzen.

[Diese Nachricht wurde von itsmi87 am 20. Mrz. 2014 editiert.]

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Verwendest Du NROPT, UNSYM? Die Last etwas langsamer aufbringen könnte auch helfen. Gibt es denn schon bei dem ersten Lastschritt Probleme? Die Konvergenzkriterien stark zu lockern, ist sicher nicht die Methode der Wahl (aber das muss ich Dir sicher nicht sagen).

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NROP,UNSYM verwende ich bereits, genau. Die Last "ramped" aufbringen hilft leider auch nicht in diesem Fall, und das convergence Problem besteht bereits bei sehr kleinen Lasten (1e-12).

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Helfen vielleicht Keyopt(5)=3, Keyopt(7)=1 oder Keyopt(12)=2 bei den Kontaktelementen? Welches Reibungsmodell verwendest Du? Kannst Du die obere Elektrode in vertikaler Richtung festhalten?

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Die genannten Keyopts bringen leider auch keine Änderung.
Beim Reibmodell habe ich die Standard Lagrange und die Penalty versucht, das gab keinen Unterschied im Bezug auf die Konvergenz.
Das Festhalten der oberen Elektrode hilft leider auch nicht weiter.

Hier ist übrigens der Code, ich würde mich sehr freuen, wenn du einen Blick darauf werfen könntest. Ich bin langsam am Verzweifeln und denke das macht es einfacher: klick. Vielleicht handelt es sich auch um einen ganz groben Fehler. Besten Dank!

[Diese Nachricht wurde von itsmi87 am 21. Mrz. 2014 editiert.]

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Ich kann das Skript leider bei mir nicht starten, Ansys stürzt mit einem segmentation fault-error ab... Aber ich hätte noch zwei Vorschläge: vor dem solve-Befehl kannst Du noch folgendes einfügen:

Code:

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time, 1
nsubst, 10, 100,10
lnsrch, on
nlgeom, on

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Merkwürdig, auf meinem Rechner mit Version 14.5.7 funktioniert es und probeweise habe ich es auf einer anderen Workstation mit Version 14.0 versucht, auch dort läuft es.

Auch mit deinen neuen Tipps konvergiert es wieder nicht. Vielleicht sollte ich mir langsam überlegen, die Vorgehensweise komplett umzuwerfen - irgendwie komme ich nicht mehr weiter hier und es beschleicht mich auch das Gefühl, dass ich einen fundamentalen Fehler drin habe.    

// Vielleicht noch eine zusätzliche Informationn: Wenn ich über die MPC option gehe und keine Reibung sondern einen bonded contact erstelle, dann funktioniert es, aber das hilft mir natürlich nicht weiter.  

[Diese Nachricht wurde von itsmi87 am 21. Mrz. 2014 editiert.]

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Nein, so schnell würde ich nicht aufgeben. Versuche vielleicht erst einmal, die obere Elektrode mit einer Verschiebung ux wegzuziehen und nicht mit einer Kraft zu belasten. Du könntest auch einen "Dummy-"Lastschritt vorschalten, in dem keine Belastung aufgebracht wird und die Kontakte sich erst einmal finden können.

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So, leider etwas verspätet meine Rückmeldung - ich habe über das Wochenende nur eingeschränkt Zugriff auf Ansys. Wie auch immer, ich habe mich weiterhin viel mit dem Problem beschäftigt und konnte folgendes feststellen:

- Das Ziehen der oberen Elektrode nur mit einer Verschiebung ändert leider auch nicht.
- Die Kraft auf 0 setzen/komplett weg zu nehmen ändert auch nichts, was recht komisch ist.
- Wenn ich alles gleich lasse, und die Keyopts auf MPC nehme/bonded mache (KEYOPT(1)=5, (2)=2, (4)=2, (12)=5), dann konvergiert es.

Es muss also an den Einstellungen des CONTA172 liegen, bzw. den damit verbunden Änderrungen. Es schaut für mich so aus, als ob das System bei dem Reibungskontakt die Übergänge nicht erkennt. Als ob zwischen den Schichten eine (unendlich dünne?) Schicht an "Nichts" ist. Was auch irgendwie Sinn ergibt, da die Knoten nicht direkt verbunden sind (und kein El. Feld/Spannung übertragen können?). Ich habe allerdings keine Ahnung, wie man das ändern könnte. Bei Ansys Workbench/Maxwell kann man eine Art Lösungsregion um die Körper erstellen, der man z.B. Vakuum zuweist.

[Diese Nachricht wurde von itsmi87 am 24. Mrz. 2014 editiert.]

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Du könntest in einem ersten Schritt versuchen, alle Freiheitsgrade der Elektroden zu sperren und dir dann den Kontaktstatus im Postprocessor anschauen. Da siehst Du, ob er den Kontakt "gefunden" hat. Wenn das funktioniert, könntest Du sukzessive einige Freiheitsgrade freigeben und schauen, wann irgendetwas schief läuft.

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